山站水位流量研究论文

1前言

近年来，长江流域连续出现了大洪水，城陵矶上下河段，洪峰水位连年超历史纪录，在来水量小于1954年洪水来量的情况下，洪峰水位却大大高于1954年最高洪水位，其控制水文站—螺山水文站，1998年创下了34.95m（冻结吴淞基面，下同。）的历史最高水位记录，高出1954年最高水位1.78m之多，而洪峰流量却比1954年洪峰流量少11300m3/s。近几年螺山站洪峰水位、流量与1954年的情况详见表1

表1螺山站近年洪峰水位、流量与1954年洪水的比较

年份

1954

1996

1998

1999

年最高水位Z/m

33.17

34.18

34.95

34.60

年最大流量Q/m3s-1

79900

67500

68600

68500

注：表内水位为水文站实际观测值未作断面换算。

2螺山附近河道概况和螺山站水位流量关系主要影响因素

2．1螺山附近河道概况

螺山河段上段城螺河段长30.5km，沿岸受城陵矶、白螺矶～道人矶、杨林矶～龙头山以及螺山～鸭栏等天然节点控制，河床分汊，河道稳定。下段新堤河段，主要受下游赤壁山节点控制，但因节点间距离较长，对水流的控制作用较弱，水流出螺山后河道逐渐加宽，主流摆幅较大，河床多段呈散乱宽浅，为边滩、潜洲的发展创造了有利条件。自1994年实施界牌河段整治以来，边滩、新淤洲等成型淤积体淤高完整，河道趋向稳定。本河段的地理位置特殊，上接长江中游蜿蜒曲折的下荆江河段与洞庭湖出口的交汇处；下有陆水及长江第一大支流汉江入汇。洞庭湖的调蓄以及下游支流的涨落水流对该河段的水位流量关系有一定影响。尤其本世纪以来下荆江发生的几次自然和人工裁弯，河长缩短太多，加速三口萎缩，引起了江湖关系的调整和本河段水沙条件和河势的变化。

2.2螺山水文站的基本特征

螺山水文站位于湖北洪湖市境内，控制流域面积1294911km2，中、高水位时河段顺直长约2km，测流断面呈W型，断面冲淤变化较大，主泓位置历年来有所摆动。该站水位流量关系主要受节点控制，螺山和鸭栏矶出露的基岩及下游30km右岸赤壁山对该站水位流量关系起不同程度的控制作用。

螺山站历年水沙情况变化,见表2。

表2螺山站水沙统计表

时段

含沙量（kg/m3）

平均流量（m3/s）

平均径流量（亿m3）

平均输沙量（亿t）

1954～1958

0.579

21500

6801

3.81

1959～1966

0.656

20000

6320

4.11

1967～1972

0.686

20000

6312

4.31

1973～1980

0.730

20100

6343

4.63

1981～1988

0.761

20100

6334

4.82

1989～1995

0.556

20600

6495

3.67

可以看出，1954年至1988年螺山站含沙量逐时段增加。下荆江裁弯后，含沙量增加值相对较大。

2.3螺山站水位流量关系的主要影响因素

螺山站所处河段的地理位置决定了该站水位流量关系影响因素较为复杂。主要包括：a、断面和河段的冲淤变化及河势调整；b、洪水涨落率影响；c、下游堤防、洲滩变化及分洪和下游变动回水的顶托影响等。现就各因素的影响情况分述如下。

2.3.1断面和河段冲淤

自1954年以来螺山站断面一直处于不稳定的变动之中。1954～1966年该站的水位～面积曲线呈左移趋势，1966～1976年变动不大，1976年以后左移趋势更加明显，至1986年淤积达到极点。1987年后开始冲刷，至1996年基本接近50～60年代状态，随后又呈现淤积状态。说明自下荆江裁弯以后，螺山河段淤积明显。从螺山断面的冲淤过程，可以初步推断荆江裁弯引起的江湖关系的调整和对下游河道的影响正在向螺山以下河段推进，螺山以下附近河段在今后一段时间内仍将以淤积为主。90年代城陵矶至螺山水位落差的减少以及螺山至龙口水位落差的增加，也从一个侧面说明了螺山至龙口河段内淤积发展的可能性。

2.3.2洪水涨落和回水顶托

历年螺山站中高水水位流量关系曲线均呈不规则的时序型绳套曲线，同一水位下流量差一般为20～30%，最大可达50%以上；在流量为50000m3/s时，水位变幅可达1～2m；当水位为33m时流量变幅为10000～15000m3/s。造成这一现象的主要原因是洪水的涨落和下游回水的顶托。当洪水来源主要系洞庭湖来水时，因长江底水较低，洪水涨落影响较荆江来水要大；当上游来水与螺山以下区间洪水（如陆水、汉江以及螺山以下电排站排涝入江的水量）遭遇时，顶托影响加剧，从而使水面比降减少，流速降低，水位抬高。

根据50～90年代城陵矶（七里山）、螺山、龙口三站水位落差变化的分析，发现三站落差的变化呈现以下趋势：城陵矶～螺山河段，60年代与50年代比较逐渐增大，螺山站水位高于29m时增大幅度在0.2m左右，水位29m以下时增幅为0.15m左右；70～80年代与60年代比较水位29m以上基本一致，而水位29m以下增大约0.15m；90年代较80年代减少约0.15m，与60年代相当。而螺山至龙口河段，50～80年代高水落差基本稳定，低水（水位29m以下）60～80年代较50年代有明显增大，平均增幅在0.20m以上；90年代各级水位均有偏大趋势，增幅为0.10m左右水面落差的这一变化趋势无疑对水位流量关系会产生影响。

3水位流量关系变化分析

螺山站水位流量关系受多种因素综合影响所呈现的复杂的多值关系，使得次洪与次洪、年际与年际之间缺乏可比性。要水位流量关系在次洪、年际间具有可比性，必须将各种因素影响的水位流量关系转换到同一基础上，亦即采用目前国内通用的综合落差指数法来探求螺山站水位流量关系的变化。

天然河道的洪水演进可用圣维南（St.Venant）方程组描述。由圣维南非恒定流动量方程

作适当变换并忽略惯性项()后，可得：

以上式中Q为流量；K为流量模数；S0为稳定流比降；h为水深；x为距离；V为流速；t为时间；g为重力常数。

对于两固定断面而言

式中：Z表示两固定断面的水位差；L为两固定断面的间距。

以式（2）代入式（1），则有

由于K与水深为单值关系，而L为常数，故K/L0.5也与水深成单值关系，令

即可导出落差指数法的理论公式，即

式中q称单值化流量（或流量校正因素）。

上式中落差指数0.5是理论值，当水面线不是直线而是曲线时，尤其当两固定断面距离较远时水面线比较明显地表现为曲线，欲使曲线落差逼近直线落差，式（4）的处理不一定都能达到预期的目的。因此，在实际工作中经验性地将式（4）表示为：

此即落差指数法的基本公式。实践证明，式（6）较式（5）处理方法更灵活，效果更好。

螺山站上距洞庭湖出口七里山30.5km，下游61km有龙口水位站（1986年下迁8km并更名为石矶头水位站）。采用综合落差指数分析时，综合落差公式为

Z=aZ1+bZ2

式中：Z1为七里山至螺山站落差，表示涨落影响；Z2为螺山至龙口站落差，表示回水顶托影响，其中1986年以后以石矶头水位换算至龙口；a、b表示两河段落差的权重，在一定意义上可把a看作考虑涨落影响的权重系数，b可看作考虑回水顶托影响的权重系数，在计算时一般取a=L2/（L1+L2）、b=L1/（L1+L2），其中L1、L2分别为七里山至螺山、螺山至龙口的间距，本次分析取a=0.67、b=0.33。

资料采用年限为1954～1999年，并划分为6个时期即：1954～1966年、1967～1976年、1977～1981年、1982～1986年、1987～1993年、1994～1999年。每个时期按年最高水位从高到低选1～4个典型年。具体年份为：1954、1956、1957、1964、1968、1969、1970、1973、1976、1980、1982、1983、1991、1996、1998、1999共16年。

3.1水位单值化流量关系变化

通过16个典型年资料计算机逐层统计识别优选，使各年Z～q关系拟合最佳。发现综合落差指数年际间变化较大，50～80年代其值在0.6～1.1之间变动，进入90年代以后逐渐衰减，至1996～1999年其值在0.3～0.5之间。综合取α=0.5，各典型年Z～q关系拟合较好，符号、适线、偏离数值检验合理，各年水位单值化流量关系测点标准差在4.04～7.68%之间，单值化流量测点对单值化线相对误差小于10%的测点占全年测点总数的比例为80～100%，符合《水文年鉴编印规范》单一曲线的定线标准。

将各年Z～q关系点绘在同一图上，可以看出螺山站水位流量关系年际间变化较大。与1954年关系线比较，除1956、1957年关系线外，60～90年代关系线系统偏左，且逐年代左移。该站水位流量关系变化总的趋势是：同流量级水位90年代比50年代明显抬高，同水位级泄流能力90年代比50年代明显降低。

为进一步分析同流量级水位的抬高量和同水位级泄流能力的减少量，根据各水位级和流量级七里山至螺山、螺山至龙口可能出现最大、最小和平均落差，按各个时期的平均线比较推算出各流量级水位的变化量和各水位级泄流能力的变化量，并将计算成果进行综合分析比较，可以初步得出螺山站水位流量关系的变化规律：

(1)随着流量的增加水位抬升变化量逐渐减少，但同流量级水位抬升量有逐年增加趋势，且水位的抬升变化以1967～1981年最为显著，1982年以后流量40000m3/s以下水位抬升趋于平缓，流量40000m3/s以上1994年以后抬升变化量

加大。若按各个时期分析样本年份的平均线比较，1994～1999年与裁弯前对比30000m3/s以下对应平均落差时水位抬高量在1.56m以上；30000～40000m3/s水位抬高量为1.56～1.31m；40000～50000m3/s水位抬高量为1.31～1.17m。

(2)螺山断面的泄流能力已发生显著变化，1954～1981年减少较多，1994～1999年与裁弯前比较，水位25～33m按平均落差计算泄流能力减少5500～6130m3/s左右；水位20m泄流能力减少3360m3/s左右，但该水位级自1987年以后泄流能力较80年代初略有增加。

3.2非恒定流水位流量关系变化

动量方程式（1）在一定程度上表征了非恒定流水位流量关系的基本特性。模型主要受控于洪水特性（包括水位的高低变化、洪水的自然涨落和变动回水的顶托）和河道的边界条件，可以近似地认为是自然洪水特性和河道边界条件在水位流量关系上的映射。对式（1）作适当变形后，按参考文献[6]的算法，以螺山站16个典型年按年度划分的非恒定流水位流量关系。各年拟合精度较之单值化处理的精度有较明显的提高，水位流量关系测点标准差在3.27～5.75%之间，点对线相对误差小于10%的测点占年测次总数的比例为92.73～100%。

1954年洪水是长江近百年来具有代表性的洪水，且已作为长江中下游防洪规划的典型年。在目前的河道条件下，若重演1954年的水位，水位流量关系和河道的泄流能力将会如何变化呢？这是许多人十分关心的问题。以1954年七里山、螺山、龙口三站的水位过程输入各典型年非恒定流水位流量关系模型，推算出相应的流量过程并转换为水位流量关系曲线后与1954年模型实际推算的水位流量关系曲线进行比较，十分明显地看到了两线的差别。由于输入的洪水条件完全相同，而曲线之间的差异在一定意义上可以认为主要是河道变化造成的。比较发现：各典型年中除1956、1957年模型推算曲线较1954年实际模拟线偏右外，其余各典型年明显偏左。表明若重演1954年水位，进入60年代以后，螺山站水位流量关系变化总的趋势是：泄流能力降低，其中以1996年水位32m流量减少7100m3/s为最大；同流量时水位抬高，当流量为50000m3/s时，1996年与1954年比较最大水位抬高量为0.80m，20000m3/s时水位抬高量最大可达2.0m左右。但1996～1999年与1983年比较，水位25m以下过流能力有所增大。

4结论

（1）螺山水位流量关系受河段和断面冲淤、洪水涨落、回水顶托、河势调整等多种因素的综合影响，呈现复杂的多值关系。多年来水位流量关系处于不稳定的变动之中。

（2）多种分析方法综合分析结果表明：下荆江系统裁弯后，螺山水位流量关系逐渐左移，同流量下水位逐渐抬高。根据综合落差指数法单值化处理成果，按各个时期分析样本年份的平均线比较，1994～1999年与裁弯前对比30000m3/s以下对应平均落差时水位抬高量在1.56m以上；30000～40000m3/s水位抬高量为1.56～1.31m;40000～50000m3/s水位抬高量为1.31～1.17m。

（3）螺山断面的泄流能力已发生显著变化，1994～1999年与裁弯前比较，水位25～33m按平均落差计算泄流能力减少5500～6130m3/s；水位20m泄流能力减少3360m3/s左右，但该水位级自1987年以后泄流能力较80年代初略有增加，中高水泄流能力维持继续降低的趋势。

（4）90年代以来，七里山至龙口河段水面比降出现新的调整，七里山至螺山水面比降变缓，螺山至龙口水位落差加大，反映水面比降曲率变化的落差指数与80年代比较出现较大幅度的衰减。可以推断引起螺山断面泄流能力变化的阻水河段出现在螺山与龙口之间，这与武汉水利电力大学段文忠等[7]的河床冲淤量计算结果是吻合的。

参考文献

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4.“七·五”国家重点科技攻关75-16-07-01专题研究报告，长江水文水情研究[R].武汉：水利部长江水利委员会水文局,1990.

5.刘东生,熊明,沈力行.螺山站水位流量关系变化分析[J].水文水资源，1999，(1).

6.巢中根,李正最.水位流量关系分析中落差指数的直接解算[J].水文，2000，(3).

7.段文忠,刘建忠.城陵矶至石码头河段河床冲淤对城陵矶、螺山站水位的影响[R].武汉：武汉水利电力大学,1999.